1.概要：

**タイトル：**Al-25%Siを用いた軽量薄フィンヒートシンクのダイカスト (Die Casting of Lightweight Thin Fin Heat Sink Using Al-25%Si)
著者： Haga Toshio, Fuse Hiroshi
発行年： 2024
発行誌/学会： Metals (MDPI)

2. 研究背景：

軽量でコスト効率の良いヒートシンクの需要が高まっている。複雑な形状のヒートシンクを経済的に製造する一般的な方法はダイカストである。重量を軽減するために、ヒートシンクのフィンとベースを薄くすることが一般的な手法である。先行研究では、より薄いフィンを製造するために、半固体鋳造、高密度鋳造、高真空ダイカストなどの技術が検討されてきた。しかし、これらの方法は特殊で高価な設備を必要とするため、経済性に欠けるという限界があった。また、軽量で優れた熱伝導率を持つ複合材料を用いたヒートシンクも研究されてきたが、複雑な加工、高価な材料、リサイクルの困難さなどが実用化の障壁となっていた。本研究は、経済的な利点を有する従来のダイカスト機械を用いて、薄肉フィンとベースを持つヒートシンクを製造することを目指している。特に、優れた流動性を有するアルミニウム合金を用いることで、薄肉フィンの製造における課題を克服することを目指している。

3. 研究目的と研究課題：

**研究目的：**従来のダイカスト機械を用いてAl-25%Siを用い、軽量化された薄肉フィンヒートシンクを製造し、その特性を評価すること。
主要な研究課題：
- Al-25%Siの流動性は、従来のアルミニウムダイカスト合金（例：ADC12）と比べてどの程度優れているか？
- フィンの厚さ、フィン高さ、フィンの本数、ベースの厚さが、放熱と軽量化に及ぼす影響は何か？
- 本研究で製造されたAl-25%Siヒートシンクの重量と放熱性能は、市販のヒートシンクと比較してどの程度か？
**研究仮説：**Al-25%Siの優れた流動性を活用することで、従来のダイカスト装置でも経済的に薄いフィンとベースを持つヒートシンクを製造でき、重量を削減しつつ同等の放熱性能を維持できる。

4. 研究方法：

**研究設計：**実験計画法に基づく実験。Al-25%SiとADC12を用いてダイカストを行い、フィン厚さ、フィン高さ、フィンの本数、ベース厚さを変えた様々なヒートシンクを製造し、放熱と重量を測定して比較分析する。
**データ収集方法：**500kN容量の冷間チャンバーダイカストマシンを用いて、様々なフィン厚さ、フィン高さ、フィンの本数、ベース厚さを有するヒートシンクを製造した。放熱特性は、10mm×10mmのマイクロセラミックヒーターを用いて測定した。ヒーターとヒートシンクの間には、0.5mm厚の熱伝達材を用いた。流動性の比較にはスパイラルダイを用いた。
**分析方法：**放熱量はヒーター温度を測定して分析した。流動性は、スパイラルダイを用いた鋳造長さを測定して分析した。様々な要因の影響を分析するために、分散分析（ANOVA）などの統計的手法を用いた。微細組織の分析には、光学顕微鏡を用いた。
**研究対象と範囲：**Al-25%SiとADC12合金を用いて、様々なフィン厚さ（0.5mm、1mm）、フィン高さ（20mm～50mm）、フィンの本数（4本、5本）、ベース厚さ（2mm、4mm）のヒートシンクを製造した。市販のヒートシンクとの比較分析も行った。

5. 主要な研究結果：

主要な発見：
- Al-25%Siは、ADC12よりも流動性が非常に優れている（0.5mmおよび1mmのスパイラルダイにおいて、Al-25%Siの流動長さはADC12の1.7倍）。
- Al-25%Siを用いることで、従来のダイカスト装置でも、0.5mmの薄いフィン厚さ、0.5度の小さなドラフト角、50mmのフィン高さを有するヒートシンクを製造できる。
- 薄いフィン厚さは放熱に大きな影響を与えないが、重量を大幅に削減できる。
- フィン高さが高くなるほど、フィンの本数が増えるほど、放熱が向上する。しかし、一定の重量を維持する場合は、フィン高さを高くすることが、フィンの本数を増やすよりも放熱の改善に効果的である。
- ベース厚さが厚くなるほど放熱は向上するが、重量も増加する。
- 気孔率は放熱にほとんど影響を与えない。
- 微細組織の不均一性は放熱にほとんど影響を与えない。
- Al-25%Siヒートシンクは、市販のヒートシンクと比較して重量が35％～68％軽量でありながら、同等の放熱性能を示した。
**統計的/定性的分析結果：**様々な実験データに基づき、ANOVAなどの統計解析を行い、各因子の有意な影響を検証した。また、光学顕微鏡による微細組織観察を通して定性的分析も行った。詳細は論文を参照。
**データ解釈：**Al-25%Siの優れた流動性は、薄いフィンの製造を可能にし、ヒートシンクの軽量化を実現した。様々な要因の分析結果から、軽量化されたヒートシンク設計の最適化方向を示すことができる。
**図表一覧と説明：**論文に掲載されている図表は、様々な要因（フィン厚さ、フィン高さ、フィンの本数、ベース厚さ）が放熱と重量に与える影響を視覚的に示している。また、Al-25%SiとADC12の流動性比較、市販ヒートシンクとの比較結果、微細組織分析結果なども含んでいる。

Figure 2. Schematic diagram of heat sinks.

Figure 5. Die casting of heat sinks using ADC12 and Al-25%Si.

Figure 29. Photograph and size comparison with the commercial heat sink: (a) commercial heat sink and (b) type F heat sink of this study.

Figure 31. Photograph of high-ceiling LED lamp heat sink cast using Al-25%Si.

6. Conclusion and Discussion:

6.結論と考察：

本研究は、従来のダイカスト装置を用いて、Al-25%Si合金により、薄く背の高いフィンを持つ軽量ヒートシンクの製造に成功した。Al-25%Siの優れた流動性により、従来のダイカスト合金では達成困難な0.5mmの薄いフィン厚さ、0.5度の小さなドラフト角を実現できた。薄いフィン厚さは放熱にはほとんど影響を与えないが、ヒートシンクの重量を大幅に削減できることが明らかになった。フィン高さ、フィンの本数、ベース厚さは放熱性能に影響を与えるが、一定の重量を維持する条件下では、フィン高さを高くすることが最も効果的である。Al-25%Siヒートシンクは、市販のヒートシンクと比較して重量が最大68％軽量でありながら、同等の放熱性能を維持した。本研究結果は、軽量化されたヒートシンクの設計・製造に関する重要な示唆を与える。産業的には、自動車用や高層ビル用LED照明などに適用可能である。しかし、気孔率や微細組織の不均一性については、更なる研究が必要である。

7.今後の研究提案：

気孔率と微細組織の不均一性が放熱性能に及ぼす影響に関する更なる研究が必要である。
様々なアルミニウム合金を用いた比較研究を行い、薄肉フィンヒートシンク製造に最適な合金組成を見つける必要がある。
実際の使用環境下での放熱性能評価を行い、実用性を検証する必要がある。
複合材料を用いたヒートシンクとの比較研究を行い、性能と経済性を比較検討する必要がある。

References

Al-25%Siを用いた軽量薄フィンヒートシンクのダイカスト